Содержание к диссертации
Введение 7
L Состояние вопроса 17
,^ 1,1. Биоиндикационный подход к оценке изменений лесных экосистем
в районах техногенеза 17
12. Воздействие выбросов цементного производства на растения и
почву ~ 28
2. Характеристика района и объектов проведения исследований,
цели и методы 48
2Л. Характеристика природных условий района работ 48
Характеристика лссораститсльных условий и древесной растительности 58
Характеристика основных загрязнителей атмосферы в районе исследований 61
Характеристика объектов исследований 72
2.5. Цели и методы исследований 74
(ф 3F Состояние древостоев сосны при воздействии поллютантов
цементного производства 80
3 Л. Действие поллютантов на насаждения и зонирование
территории по степени воздействия 80
3,2, Санитарно-патологичсскос состояние сосновых насаждений 106
3.2Л, Динамика состояния древостоев сосны в районе влияния
цементных выбросов за ревизионный период 120
щ 3,3. Повреждение поллютантами крон деревьев 126
3.ЗЛ.Охвоенность крон и срок жизни хвои 126
*
Пораженность хвои хлорозами и некрозами 129
Биометрические показатели хвои в зонах с различной степенью воздействия щелочных выбросов 133
3.4. Влияние загрязнений на рост сосновых насаждений 137
4. Состояние подчиненных компонентов фитоценоза 156
Состояние подроста и подлеска при различной степени воздействия загрязнений 156
Состояние живого напочвенного покрова в зонах различного воздействия поллютантов 164
4.2.1. Влияние выбросов цементного производства на ростовые
процессы живого напочвенного покрова 185
4.3. Изменение состояния эпифитных лихеносинузиЙ в условиях
воздействия выбросов 1SS
5. Изменение структуры почв и аюивности почвенной биоты при
действии щелочных выбросов 203
5Л. Изменение выбросами цементного производства почвенных
горизонтов ~ 203
Воздействие выбросов производства на активность разложения опада 208
Мощность лесной подстилки в сосняках при действии выбросов цементного производства 210
5.1.3. Вариация мощности гумусового горизонта 214
5.2. Изменение выбросами цементного производства химического
состава почвенных горизонтов 217
6. Дендрофильные пасекомые-ксилофаги и фитопатогенные организмы
в сосновых насаждениях при воздействии поллютантов цементного
производства 227
6.1. Предрасположенность к повышению численности популяций
ксилофагов при хроническом промышленном загрязнении 227
6ЛЛ. Состояние популяций ксилофагов при действии на сосновые
«ф насаждения щелочных поллютантов 234
ф, 6Л .2. Встречаемость скрытоживущих вредителей листвы 252
Заключение 255
Общие выводы и рекомендации по ведению лесного хозяйства в хвойных насаждениях при хроническом щелочном загрязнении 260
8Л. Общие выводы 260
8Г2 Рекомендации по режиму ведения лесного хозяйства при
хроническом воздействии щелочных веществ 263
8,2 Л. Оценка ущерба хвойным насаждениям при действии
промышленных щелочных веществ 279
Список использованных источников 287
Приложения 337
Перечень сокращений, условных обозначений, символов, единиц и терминов, используемых в тексте:
БГЦ - биогеоценоз;
ЖНП - живой напочвенный покров;
ЭС - экологическая система;
БСЛ - большой сосновый лубоед;
МСЛ - малый сосновый лубоед;
ФЛ - фиолетовый лубоед;
ЧСУ - черный сосновый усач;
СЖС - сосновая жердняковая смолевка;
ССС - сосновая стволовая смолевка;
ССЗ - синяя сосновая златка;
СДУ - сосновый длинноусый усач;
MX - маточные ходы короедов;
УХ - уходы в древесину смолевок, усачей, златок;
КК - куколочная колыбелька;
d, h - диаметр и высота дерева;
Dcp - средний диаметр насаждения;
Dam - средний диаметр отпада;
Zcp- средний текущий радиальный прирост;
Doот — относительный диаметр отпада.
Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Последние десятилетия характеризуются резким снижением устойчивости лесных экосистем, ухудшением их санитарного состояния, развитием очагов вредителей и болезней, значительными
потерями прироста, уменьшением средозащитного влияния на окружающую природную среду. Для повышения пространственно-временной устойчивости, средообразующих и рекреационных функций лесных биогеоценозов необходимы мониторинг и прогнозирование антропогенных изменений параметров абиотических факторов, струюур и состояния организмов лесных экосистем.
Леса, как средостабилизирующий фактор и важный источник сырьевых и пищевых ресурсов, во многих регионах мира оказались у опасной границы деградации (Барахтенова, 1993; Кулагин, 1980; Николаевский, 1998; Rykowski, 1997; Wegener, 1997; Писаренко, Страхов, 2001; Итоги деятельности..., 2001). Негативные тенденции в динамике состояния лесов Европы связаны с нарастающим воздействием техногенных факторов, аномальными погодными и климатическими явлениями. Международные соглашения в области сохранения лесов, поддержания биологического разнообразия, устойчивого развития лесного сектора (Хельсинки, 1991, 1993; Конвенция ООН по биоразнообразию и изменению климата; Конференция ООН.по окружающей среде и развитию, 1992; Лесные принципы, 1993; Концепция устойчивого управления лесами РФ, 1996) в качестве основного направления определили защиту биоразнообразия лесных экосистем и устойчивое развитие их.
Проблема сохранения и защиты лесов в условиях техпогепеза является важнейшей для обеспечения устойчивого развития биосферы Земли. Растения, в связи с автотрофным характером метаболизма, проявляют высокую чувствительность к загрязнению воздуха. Влияние промышленности привело к тому,
что леса испытывают хронический стресс, в них нарушается структура и снижается уровень биоразнообразия, нарушаются естественные сукцесснонные процессы. На современном этапе развития общества умеренные дозы аэротехно-генных поллютантов захватывают обширные территории и представляют для устойчивости лесов значительную опасность.
Определение закономерностей токсического действия хронического загрязнения воздуха на состояние лесов, на изменение функционального состояния и связей организмов, разработка методологии зонирования территории по силе промышленного воздействия, критериев диагностики повреждения лесонасаждений в техногенной среде па основе биоиндикациопных методов исследования, разработка методических подходов и практических приемов управления состоянием лесонасаждений относятся к числу приоритетных задач теоретической и прикладной экологии (Schubert, 1984,1988; Смит, 19S5; Алексеев, 1990; Казимиров, 1990; Сергейчик, 2001).
С каждым годом растет потребность в количественной и качественной информации о влиянии загрязнений атмосферы на состояние лесных биогеоценозов как основы для предупреждения экологически опасных ситуаций, разработки прогнозов динамики лесов и управления их состоянием.
В последние десятилетия довольно полно изучены закономерности техногенной трансформации лесных экосистем под воздействием газообразных загрязнений воздуха кислой природы. Исследовано влияние их на видовой состав, структуру, продуктивность, сукцесснонные процессы, изучены особенности миграции химических элементов в различных зонах техногенных нагрузок, ведется лихеноиндикациопное зонирование по уровню загрязнений (Жидков, 1995; Бяз-ров, 1998; Чубанов, Киселев, Бойко, 1985 и др,)- Вместе с тем, не изучено влияние хронического воздействия пылевых загрязнений воздуха с выраженной щелочной реакцией, которые могут привести к необратимым изменениям лесов как локального, так и регионального уровня. В научной литературе имеются лишь отдельные данные о состоянии растительности в зонах действия щелоч-
ных загрязнений, во они мало отражают состояние хвойных насаждений, так как фрагментарны или относятся к характеристикам изменения лиственных древостоев.
Несмотря на важность данной проблемы, комплексные исследования влияния хронического загрязнения воздуха щелочными компонентами на состояние элементов биогеоценозов до сих пор не проводились. До настоящего времени пет обобщения данных и широких исследований изменения элементов сосновых биогеоценозов под действием щелочных ноллютантов цементных производств, не обоснован комплекс биоиндикационных критериев диагностики состояния насаждений, режим ведения хозяйства и особенности лесозащитных мероприятий, пути управления состоянием древостоев, загрязняемых щелочными поллютантами. Отсутствие информативных, визуально определяемых характеристик воздействия щелочных пылей снижает эффективпостьразработки прогнозных оценок состояния лесов, проведения экологических экспертиз, организации лесовыращивапия и повышения продуктивности лесов. Поэтому возникает проблема исследования - разработка теоретического и методологического обоснования диагностики и управления состоянием насаждений, режима лесовыращивапия в районах хронического воздействия щелочных промышленных загрязнений.
Тема работы связана с научными направлениями: Комплексное и рациональное использование и воспроизводство лесных ресурсов с учетом охраны окружающей среды в условиях нечерноземной зоны России (1992); Организация лесопользования и ведения лесного хозяйства на загрязненных территориях (1998), Тема соответствует Федеральной целевой протрамме «Леса России» (1997) и Лесному кодексу РФ в части развития организационно-методического подхода мониторинга лесов, отработки методов и средств мониторинга, разработки экологически безопасных природоохранных систем ведения лесного хозяйства, технологий обеспечения повышения устойчивости и производительно-
сти насаждений в районах техногенного загрязнения. Исследования проведены б соответствии с планом НИР БГИТА (1986, 1992, 2000).
До настоящего времени не обоснованы пути управления состоянием насаждений, режим ведения хозяйства и особенности лесозащитных мероприятий в древостоях, загрязняемых атмосферными щелочными поллютантами. Настоящая работа посвящена исследованию закономерностей изменения состояния хвойных насаждений, подверженных хроническому действию выбросов цементного производства для обоснования мер по улучшению санитарного и патологического состояния древостоев, повышению биоразнообразия и устойчивости насаждений, повышению продуктивности биогеоценозов и решению проблемы управления их состоянием.
Объект и предмет исследований. Объект исследований - компоненты хвойных биогеоценозов с преобладанием сосны обыкновенной в щелочной техногенной среде. Предмет исследований - изменения состояния, популяционных характеристик, ростовых процессов, структуры БГЦ при хроническом щелочном воздействии в зоне широколиственных лесов.
Цель и задачи исследований. Цель работы - исследование и научное обоснование системы мероприятий по управлению состоянием и повышению устойчивости и продуктивности сосновых биогеоценозов при воздействии щелочных загрязнений в зоне широколиственных лесов.
Достижение поставленной цели осуществлялось посредством решения следующих задач:
1, Изучить состояние фитоценоза сосновых насаждений по комплексу
признаков при влиянии выбросов цементного производства;
2. Отобрать наиболее информативные биоиндикационные критерии для
оценки степени промышленного влияния и зонирования территории по интен
сивности воздействия, разработать методы зонирования лесов в техногенных
районах с применением комплексной биоиндикации;
Проанализировать влияние щелочных выбросов на состояние кроны деревьев, ростовые процессы сосны.
Выявить состав и состояние подроста, живого напочвенного покрова и эпифитной лихенофлоры в зонах воздействия выбросов цементного производства;
5, Исследовать изменения сложения и химсостава верхних горизонтов
почв, активности почвенной биоты.
6, Оцепить распространение и роль дендрофильных насекомых-
ксилофагов в насаждениях при воздействии щелочных выбросов.
7, Определить ущерб от загрязнения сосновых БГЦ и обосновать систему
управления состоянием лесных сообществ в техногенных районах центральной
части европейской территории России и режим ведения лесного хозяйства при
различной интенсивности воздействия эмиссий пыли цементного производства.
Методологические основы исследований. Выполнение поставленных задач базировалось на фундаментальных положениях экологии (Одум, 1975; Из-раэль, 1984, 1989; Реймерс, 1994; Стадницкий, Родионов, 1997), биогеоценоло-гии, геоботаники (Сукачев, 1954; Работнов, 1978), биоиндикации (Трасс, 1971, Смит, 1985; Мэннинг, Федер, 1985; Н. Ellenberg, 1971; Braun-Blanquet, 1964; Викторов,1971 и дрг) лесоведения (Мелехов, 1970; Тихонов, 1998), лесозащиты и лесопатологического мониторинга (Мозолевская 1995; Исаев 1995; Воронцов, Мозолевская, Соколова, 1991 и др.).
Научная новизна и значимость результатов. Новые результаты работы, сформулированные в ней положения на основе концепции комплексного анализа состояния среды (Израэль, 1984) и выводы являются вкладом в развитие теоретических основ экологии растений и устойчивости лесных экосистем к факторам техногенного щелочного загрязнения окружающей среды. Впервые, для условий зоны широколиственных лесов, изучены изменения параметров состояния компонентов сосновых БГЦ при хроническом воздействии щелочной пыли, проведены широкие комплексные исследования по диагностике состояния насаждений, решена проблема индикации повреждений сосновых лесов и
саждений, решена проблема индикации повреждений сосновых лесов и обоснованы биоиндикационные параметры зонирования территории промышленного воздействия, пути управления состоянием хвойных древостоев. Дана комплексная биоиндикационная оценка реакции компонентов БГЦ на хроническое загрязнение щелочной компоненты, определены направления мероприятий по управлению состоянием насаждений при техногенном загрязнении и рекомендованы лесокультурные, лесоводственные и лесозащитные мероприятия для зон различной степени промвоздействия для поддержания и повышения устойчивости насаждений. Обоснован режим лесного хозяйства, позволяющий снизить вред эмиссий и повысить устойчивость насаждений. Разработана методика зонирования лесов в условиях техногенеза, впервые отобраны наиболее информативные биоиндикационные критерии оценки степени воздействия хронического щелочного воздействия на сосновые БГЦ. Оценена роль вредителей и болезней леса в динамике процесса деградации древостоя в зонах с различной степенью воздействия промышленной пыли. Новые научно обоснованные результаты работы, сформулированные в ней положения и выводы являются вкладом в развитие теоретических основ мониторинга состояния и устойчивости лесных экосистем к факторам техногенного загрязнения окружающей среды. Прикладной аспект решения проблемы позволяет оценить состояние лесов при мониторинге среды, экологических экспертизах и обосновать мероприятия по снижению вредного воздействия загрязнений, адаптации и реконструкции насаждений. Основные научные положения, выносимые па защиту: 1. Изменение состояния хвойных БГЦ, находящихся в зонах хронического щелочного техногенного воздействия зависит от силы воздействия промышленных загрязнений. При усилении щелочного воздействия ухудшается санитарное и патологическое состояние древостоев. Усиление воздействия ведет к увеличению текущего отпада в 2...6 раз, его относительного диаметра на 40^.60%, росту заселенности вредителями и пораженное заболеваниями, изменению распределения деревьев разных категорий состояния по ступеням толщины-
Закономерные изменения состояния компонентов сосновых БГЦ позволяют выделить биоиндикационпые критерии для диагностики степени хронического воздействия щелочных загрязнений. Методика зонирования лесонасаждений с использованием радиально-лучевого и площадного учетов состояния дре-востоев и других компонентов БГЦ по комплексу наиболее информативных. биоиндикационных показателей позволяет точно выделить территории с различным уровнем воздействия загрязнений.
При воздействии щелочных веществ происходят закономерные изменения в составе, густоте и состоянии подроста и подлеска. В зонах сильного и среднего воздействия возможно формирование смешанных хвойно-широколиствснных насаждений путем ухода за естественным возобновлением. .В составе и распространении живого напочвенного покрова (ЖНП) и эпифит-ных лихеносинузий происходят значительные изменения: при усилении воздействия загрязнений снижается проективное покрытие, встречаемость видов ЖНП и лишайников, изменяется коэффициент (^разнообразия. Увеличивается встречаемость и покрытие дерновинных и нейтро- и базифильных видов ЖНП, исчезают или снижают встречаемость и покрытие эпифитные лишайники с большой контактной поверхностью.
При усилении щелочного загрязнения увеличивается мощность лесной подстилки и гумусового горизонта из-за снижения активности деструкторов целлюлозы, увеличивается рН подстилки, снижается содержание фосфатов, подвижных соединений азота и калия.
При усилении хронического загрязнения щелочной пылью возрастает роль вредителей и болезней леса как факгора-синергиста в ослаблении и отмирании деревьев. Доминантами, имеющими наибольшую хозяйственную значимость, являются БСЛ и сосновые смолевки, увеличивающие запас имаго на 52...70%, увеличивается встречаемость и интенсивность развития очаговых форм заболеваний леса.
6. Стабилизация и улучшение состояния сосновых насаждений, повышение их устойчивости возможно при применении системы управления состоянием лесных биоценозов в районах техногенеза, изменением режима ведения лесного хозяйства.
Обоснованность выводов и практическая значимость работы. Обоснованность выводов обеспечивается надежной методологической основой, применением современных методов комплексных исследований, проведенных на обширном материале, в динамике, с использованием современных методов анализа материалов, на адекватности использованных методов цели и задачам исследований. Хозяйственные мероприятия по сохранению и повышению устойчивости и продуктивности лесонасаждений, сохранению биоразнообразия, снижению отпада обоснованы исследованиями изменения компонентов БГЦ в связи со степенью воздействия поллютантов щелочного характера. Предложены критерии для зонирования лесов, поврежденных хроническим промышленным воздействием. Для каждой зоны рекомендован режим. ведения хозяйства и комплекс мероприятий по стабилизации и улучшению состояния лесов. Положения работы могут использоваться как надежная основа для мониторинга лесов, экологического прогнозирования и экспертиз, работ по фитоконтролю загрязнения среды и ее оптимизации. Данные исследований использованы в учебном процессе при подготовке инженеров лесного и лесопаркового хозяйства в Брянской инженерно-технологической академии, для определения ущерба насаждениям от щелочных поллютантов «Мальцовский портландцемент» в Учлесхозе БГИТА (отчет по НИР, № госрегистрации ОL20,0008359), для определения воздействия па лесонасаждения эмиссий шлакоотвала «Думчипский», полигона хранения отходов «Старьстекло», хранилища химического оружия «Долина» (отчеты по НИР), используются Западным лесоустроительным предприятием при инвептаризиции лесов, Учлесхозом БГИТА при обосновании мероприятий в зонах воздействия АО «Мальцовский портландцемент».
Личный вклад. Диссертация является индивидуальным трудом автора, В основу диссертационной работы положены материалы личных исследовании, полученные при выполнении плановых работ научной тематики БГИТА и проблемной лаборатории мониторинга и биоразнообразия. Автору принадлежит обоснование решения целевой установки работы, разработка теоретических и методических положений решения задач исследований, сбор и анализ материалов, обработка и обобщение результатов исследований.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на международных, региональных, всероссийских научно-технических конференциях, ежегодных конференциях по итогам НИР в БГИТА, отражены в публикациях в центральной и региональной печати в том числе: на международных конференциях; «Проблемы лесоводства и лесной экологии» (Москва, 1990), «Охрана лесных экосистем и рациональное использование лесных ресурсов» (Москва, 1991), «Проблемы лесной биогеоценологии и методологические основы их решения» (Йошкар-Ола, 1992), «Охрана лесных экосистем и рациональное использование лесных ресурсов» (Москва, 1994), «Брян-щина у истоков науки славянских народов» (Брянск, 1999), «Лесная наука на рубеже XXI века» (Гомель, 1997), «Актуальные проблемы экологии на рубеже третьего тысячелетия и пути их решения» (Брянск» 1999), «Ресурсосберегающие технологии в лесном хозяйстве, лесной и деревообрабатывающей промышленности» (Минск, 1999), «Лес, наука, молодежь» (Гомель, 1999)? «Проблемы устойчивого развития хозяйства радиоактивно загрязненных территорий стран СНГ» (Брянск, 2000), «Актуальные проблемы лесного комплекса. Лес 2000» (Брянск, 2000), «Экологические основы рационального лесопользования в Среднем Поволжье» (Йошкар-Ола, 2001), «Химико-лесной комплекс - проблемы и решения» (Красноярск, 2002) на 10-х Перфильевских чтениях по проблемам лесов Севера (Архангельск, 2002); на областных и региональных научно-технических конференциях: «Рациональное использования природных ресурсов в условиях всестороннего совершенствования социализма» (Брянск, 1986), на-
учно-пракгических конференциях Белоруссии и Прибалтийских республик (Минск, 1985, Каунас, 1986), «Научно-технический прогресс в промышленности и проблемы охраны окружающей среды» (Пенза, 1989), «Проблемы использования, воспроизводства и охраны лесных ресурсов» (Йошкар-Ола, 1989), «Проблемы рационального использования, воспроизводства и экологического мониторинга лесов» (Свердловск, 1991), «Чтения памяти Г.Ф. Морозова» (Брянск, 1992), «Молодые ученые - народному хозяйству» (Брянск, 1983), «Перспективы развития народохозяйственного комплекса Брянской области» (Брянск, 1984), «Молодые ученые - 40-летию Победы и 1000-летию города Брянска» (Брянск, 1985), «Воспроизводство, комплексное и рациональное использование лесных ресурсов (Брянск, 1987), «Молодые ученые и специалисты - развитию промышленного и сельскохозяйственного производства области» (Брянск, 1988), «Экология, ресурсосбережение и реабилитация строительных материалов, зданий и сооружений в зонах повышенной радиации» (Брянск, 1993), «Вклад ученых и специалистов в национальную экономику» (Брянск, 1997, 1998, 2000, 2001, 2002). Отдельные положения диссертационной работы использованы при выполнении бюджетных и договорных НИР, в учебном процессе.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 47 научных работ, в том числе монография и курс лекций, 3 - находятся в печати. Общий объем публикаций - 636 с.
Объем її структура диссертации. Диссертация содержит общую характеристику работы, 8 глав, заключение. Общий объем работы - 349 страниц, включает 59 табліщ (45 с), 64 рисунка (31 с). Текстовая часть изложена на 256 страницах. Список использованных источников из 535 наименований (50 с), в том числе 52 - на иностранных языках, приложения - на 13 с.
